基于SiGe HBT的射频有源电感的设计 - 全文

　　电感在射频单片集成电路中具有重要作用，主要具备阻抗转换、谐振、反馈、滤波等功能。随着无线通信技术的迅速发展，电子产品越来越向高速化、微型化，便携化方向发展。由于无源电感占据了射频集成电路大部分的芯片面积，所以如何减小片上无源电感的面积成为现在人们亟待解决的难题。研究得比较多的集成电感的主要是金属互连线电感，但其具有占有芯片面积大、品质因数Q低等缺点。因此，采用占面积小的有源电感代替无源电感，是满足射频单片集成电路的途径之一。

　　在低频电路中，通常有源电感由跨导运算放大器、电阻以及电容来实现。但是由于运放在高频下不具备较高的增益，因此，不适宜在高频下应用。

　　在射频电路中，必须采用其他的有源器件来构成有源电感。虽然可使用GaAs工艺来实现有源电感，但是由于其造价比较昂贵，不适合大规模的生产。SiGe技术具有与成熟的Si工艺兼容，芯片的成本具有较好的竞争力，已经渐渐成为设计射频单片集成电路的主流。

　　本文采用两个晶体管构成回转器，利用晶体管内部本征电容合成电感。设计了采用不同组态的四种有源电感电路结构，并就其中一个性能较好的电路做了详细的讨论。最后采用Jazz 0. 35 μm SiGeBiCMOS工艺，用射频仿真软件ADS进行了验证。

　　本设计与无源电感相比能极大地减少芯片面积、节约成本，对于射频集成电路具有很高的应用价值。

　　1　设计理论及方法

　　1. 1　有源电感实现的基本原理

　　有源电感的电路结构有多种形式，其广泛应用的基本结构是：采用回转器和电容组成。回转器具有将一个端口上的电压回转为另一个端口上的电流的性质。利用这种性质，晶体管的寄生电容或外接电容可以转换为电感。回转器端口接电容构成的有源电感，其中由一个正的跨导放大器与一个负的跨导放大器在输出端口接一个负载电容可以构成正阻抗有源电感。同理，由两个正的跨导放大器或两个负的跨导放大器在输出端口接一个负载电容可以构成负阻抗有源电感。若两个跨导放大器的跨导值分别用gm1与gm2表示，电容值的大小为C，则其电感值L 大小可以表示如下：

　　

 

　　1. 2　基于S iGe HB T 有源电感的设计

　　将双极型晶体管看作三端口器件，在进行级联时，共有三种基本组态：共发射极、共基极和共集电极组态。每种组态的连接方式分别有两种：输入、输出。故单独的双极型晶体管共有3 ×2 = 6种连接方式。不同的连接方式具有不同的导纳参数。为了化简方便，假设每个晶体管的高频小信号等效模型[13 ]仅由基极与发射极电容Cbe以及集电极与发射极之间的跨导gm 构成。将晶体管的基极与发射极之间的电容作为回转器输出端口的负载电容，则可以构成不同结构的有源电感。图1为晶体管的6种交流通路。其相应的导纳Y参数可以分成三种类型，分别用A类、B类、C类表示。每种组态的Y参数如表1所示。

　　

 

　　表1　不同组态的晶体管Y参数

　　

 

　　图1　晶体管的不同电路组态

　　有源电感可以采用跨导放大器方便的实现。单独的晶体管放大器构成一个跨导网络。共射放大器实现负跨导网络，共基放大器和共集放大器提供正跨导网络，根据这三种跨导网络的不同组合形式，得到不同结构的有源电感。有源电感由两个晶体管通过级联反馈构成，共有3 ×3 = 9种电路结构。其中，由于导纳Y参数的对称性，有3种电路结构相同，故实际不同的电路结构有6种。为了便于分析，这里只介绍其中4种不同结构的电路。这4种电路结构形成的有源电感包括2种正电感和2种负电感。

　　正电感由两个符号相反的跨导放大器级联反馈构成，即共基放大器与共射放大器(CB2CE)级联反馈构成的有源电感以及由共射放大器与共集放大器(CE2CC)级联反馈构成的有源电感，其交流通路如图2所示。

　　

 

　　图2　正有源电感电路结构

　　负电感由符号相同的跨导放大器级联反馈构成。即分别由共射放大器与共射放大器(CE - CE)级联反馈构成以及由共基放大器与共集放大器(CB- CC)级联反馈构成的有源电感，如图3所示。

　　

 

　　图3　负有源电感电路结构

　　若用gm1、gm2分别表示上图中晶体管Q1 与Q2的跨导， Cbe1、Cbe2分别表示其基极与发射极之间的电容。根据二端口网络的策动点导纳， 即网络的输入导纳：

　　

 

　　由电路分析可得，四种有源电感电路的输入导纳分别表示如下：

　　共基放大器与共射放大器级联反馈构成的有源电感的输入导纳：

　　

 

　　共射放大器与共集放大器级联反馈构成的有源电感的输入导纳：

　　

 

　　共射放大器与共射放大器级联反馈构成的有源电感的输入导纳：

　　

 

　　共基放大器与共集放级联反馈构成的有源电感的输入导纳：

　　

 

　　从上述公式(3) - (6)看出，正电感的等效输入阻抗分别由一个电容，和一个电阻及一个电感相并联构成。负电感的输入阻抗相对于正电感，缺少一个并联电阻。即理论上，负电感是无损耗的有源电感。其中，CE2CC正有源电感的电感值随着频率的增加而增加。

　　CB2CC负有源电感的电感值的大小随着频率的增加而减小。在同样的偏置条件下， CE2CC有源电感的电感值较其他三种有源电感的电感值最大。此外，并联电阻与晶体管Q1 的跨导gm1有关，故增大跨导gm1 ，有利于减小有源电感的损耗，但是，同时降低了有源电感的电感值。因此，设计性能优良的有源电感，跨导gm1需要折中考虑。若减小晶体管Q2 的跨导gm2 ，电感值L随之增大，但并不影响并联电阻值的大小，从而增加有源电感的品质因数。此外，自谐振频率与输入阻抗中的并联电容有关，即晶体管内部的基极与发射极之间的电容Cbe有关，若输出端口外接大小不同的电容值C，则可以控制有源电感自谐振频率，进而改变有源电感的工作频率范围。

　　2　电路设计方法及仿真

　　2. 1　仿真设计

　　采用捷智Jazz 0. 35μm SiGe BiCMOS工艺，利用射频仿真软件ADS (Advanced Design SySTem) ，对所设计的有源电感的电路进行仿真验证。首先，为SiGe HBT(异质结双极性晶体管)选取相同的合适的静态工作点，设置基极偏置电流为20μA，集电极偏置电流为3 mA，器件的截止频率为55 GHz。

　　2. 2　仿真结果

　　图4给出了这四种有源电感的参数S11随频率的变化曲线。曲线a、b、c、d分别代表共基放大器与共射放大器(CB2CE)级联反馈构成的有源电感、共射放大器与共集放大器(CE2CC)级联反馈构成的有源电感、共射放大器与共射放大器(CE2CE)级联反馈构成的有源电感以及共基放大器与共集放大器(CB2CC)级联反馈构成的有源电感。根据S参数与Z参数转换关系，可以得到电路的等效输入阻抗。

　　从Smith圆图可以看出，各曲线所代表的每个有源电感在该频率范围内，输入端口呈现感性。但是曲线a、c、d所代表的有源电感的电阻损耗较大。这是由于晶体管的偏置电路中的电阻对于有源电感的输入阻抗有极大的影响。此外，曲线c所代表的有源电感较其它电感工作频率较低，其带宽为300MHz～1 GHz。曲线b所表示的有源电感的损耗较低、性能良好，可以作为实际有源电感设计的优先选择。下面我们对它作进一步的分析与讨论。

　　图5是CE2CC有源电感的等效电感值随频率的变化曲线。调节晶体管的偏置电压Vcc ，将会改变晶体管的偏置电流的大小，从而改变晶体管的跨导值，实现可调谐的有源电感，这是有源电感较无源电感的重要优点。从图中可以看出，当偏置电压Vcc从3. 15 V 降到2. 95 V 时， 电感值可调谐范围为1. 268 nH - 1. 914 nH。

　　

 

　　图5　CE2CC有源电感的电感值随频率的变化曲线。

　　品质因数Q是衡量电感性能的重要指标之一。图6给出CE2CC有源电感的品质因数随频率的变化曲线。随着频率的增加，其Q 值也将增大; 当输入电抗小于零， 呈现电容特性后， 电感的Q 值将急剧下降。从图可以看出，在频率为12. 9 GHz下，电感Q值达到最大值75. 4。

　　

 

　　图6　CE2CC有源电感的Q值随频率的变化曲线。

　　3　结论

　　本文设计了四种结构的射频有源电感，其中包括两种正电感和两种负电感。研究结果表明由晶体管构成的有源电感的性能受晶体管的组态及偏置影响较大。四种电路结构中，由共射放大器与共集放大器级联反馈构成的有源电感性能较好。采用回转器原理实现的有源电感，电感值不随面积减小而减小。改变晶体管的偏置电压，有源电感具有可调谐性。这些工作对今后有源电感的设计和应用具有积极的指导意义。